Gologie Applique aux Ouvrages Souterrains Quelques mots sur

Géologie Appliquée aux Ouvrages Souterrains • Quelques mots sur les ouvrages souterrains : historique, situation actuelle, organisation de la profession • Etudes : Opportunité, Définition, Conception, Exécution, Exploitation et Maintenance • Place de la géologie (sens large) dans les travaux souterrains : Excavation, Soutènement, Vie de l’Ouvrage • Etude de la stabilité et des méthodes d’exécution 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 1

Historique - 1. - 2700, premières mines organisées Au en Nubie, Cu Chypre, Sinaï 2. - 530, Galerie d’alimentation en eau d’Eupalinos (1035 m ) dans l’île de Samos 3. 0 JC - 350 km d’aqueducs à Rome 4. 745 ? ? ? ? , premières mines métalliques en Europe 5. 1190, première exploitation de charbon en Flandre 6. 1556, De RE Metallica – Agricola 7. 1627, 1ère utilisation de la poudre noire en Hongrie 8. 1680, tunnel de Malpas sur le canal du Midi UFR SEN - DESS 9. 04 Février 2005 1828, 1 er tunnel ferroviaire ( 2000 m ) sur la ligne Géologie. Aménagement 2

Historique - 2 1. 1838, 1 er marteau à vapeur 2. 1846, découverte de la Nitroglycérine par A. Sobrero 3. 1849, marteau perforateur ( 1862 – Sommeiller ) 4. 1866, Invention de la Dynamite par Nobel 5. 1857 -1870, Tunnel ferroviaire ( 13 km ) du Mont Cenis (du Fréjus ) – Perforatrice Sommeiller 6. 1865 -1875, Tunnels du Canal du Verdon (20 km ) 7. 1872 -1882 Tunnel ferroviaire du Saint Gothard ( 14, 9 km ) 8. 1830 -1900, Développement du réseau 04 Février 2005 UFR SEN - DESS 3 Géologie. Aménagement ferroviaire : Apogée

Historique - 3 Ø 1900 – 19. . , Poursuite du réseau ferroviaire(1930 ) Métros, Assainissement, Hydroélectricité, Aduction Ø …. -1980, Ouvrages routiers souterrains rares parce que très aléatoires et donc coûteux, mais galeries hydrauliques et assainissement Ø 1952, Tunnel de la Croix Rousse Ø 1965, Tunnel du Mont Blanc Ø 1971, Tunnel de Fourvière Ø 1975, Tunnel Maurice Lemaire (Sainte Marie aux Mines) Ø 1980, Tunnel du Fréjus Ø Depuis 1970/1980 : Développement du réseau autoroutier A 8, A 43, A 40, A 75, A 89, A 20, etc. Et TGV Atlantique puis Méditerranée, Tunnel sous la Manche et métros de Marseille, Lyon, Toulouse, Rennes 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 4

Aujourd’hui • Urbanisme souterrain : infrastructures de transport individuelles et en commun, Parkings, etc . « Espace Souterrain » : Patinoire de Lillehammer • Très grandes infrastructures de transport : - Perpignan Figueras - Lyon-Turin-Ferroviaire (LTF) = une centaine de kilomètres de tunnels • Suisse, Italie, Espagne 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 5

Situation actuelle • Reprise très forte de l’activité souterraine depuis une trentaine d’années en France et dans le monde : autoroutes, TGV, métros, assainissement, hydraulique grâce aux progrès en foration, explosifs, machine foreuse ponctuelles et tunneliers • Annuellement 1 Milliard d’Euros = 5 % des TP • Organisation de la profession : Entreprises de BTP, BE, MO = AFTES 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 6

AFTES • Association Française des Travaux En Souterrain • Edite une revue technique T. O. S. bi-mensuelle • Groupes de Travail rédigent des recommandations techniques pouvant être considérées des règles de l’art de la profession • Journées techniques internationales ( 3 ans ) • http: /www. aftes. asso. fr 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 7

Etudes d’ouvrage souterrain • Opportunité = Pourquoi faire un ouvrage souterrain : infrastructure linéaire ferroviaire ou routière voire fluviale; • Définition = Quoi , caractéristiques géométriques et équipements adaptés aux fonctionnalités attendues; • Conception = Comment , mise au point des méthodes constructives appropriées aux conditions de site (géologie au sens large); • Exécution = travaux de réalisation, suivi et surveillance, adaptation du projet aux conditions réellement rencontrées (géologie au sens large); • Exploitation et Maintenance = Contrôle du comportement de l’ouvrage en fonction du temps et de l’environnement (histoire de la construction, avoisinants et géologie au sens large); 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 8

Qu’est-ce qu’un ouvrage souterrain • Création d’une cavité artificielle au sein d’un massif rocheux = Creusement ou excavation; • Assurer la stabilité à court et moyen terme de cette cavité = Soutènement ; • Assurer la pérennité de l’ouvrage et la conservation des potentialités fonctionnelles = Soutènement + Revêtement ; • Respecter les avoisinants : bâti ( vibrations et tassements) , autres ouvrages = Méthodes d’exécution + Soutènement + Revêtement ; • Respecter l’environnement : déblais, nuisances sonores et salissures, tassements = Relationnel + Méthodes d’exécution 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 9

Clé de voûte rein naissance piedroit radier 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 10

Clé de voûte rein naissance piedroit radier 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 11

Vocabulaire • Termes géométriques : clé de voûte, rein, piedroit, radier, pleine section, section divisée, demi section supérieure (demi-sup ) demi section inférieure ( stross ), intrados, extrados, • Construction : traçage, foration, chargement, tir, ventilation, purge, marinage, soutènement, béton projeté, boulonnage, treillis soudé, cintres, étanchéité, coffrage, revêtement, bétonnage, banquettes 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 12

Etudes de Fonctionnalités Ø Insfrastructure ferroviaire, routière ou de transport urbain ( voire fluvial ) Ø Galeries hydrauliques : hydroélectricité, approvisionnement, transfert Ø Stockages: hydrocarbures, déchets radioactifs, armement Ø Architecture souterraine : parkings, patinoire, remonte pente, installations industrielles 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 13

Etude géométrique • Ouvrages linéaires ( TGV, Routes, Métro ) Tracé en plan, Profil en long, Profil en travers ( contraints par les fonctionnalités et l’environnement ) – Idem air libre • Ouvrages volumiques ( Parkings, Salles, Usines, Stockages ) Choix de l’implantation en fonction du contexte 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 14

Etude Technique du Tunnel Analyse des conditions d’exécution de l’excavation à créer • Choix du principe de réalisation : explosif, abattage mécanisé, tunnelier • Conditions de creusement • Besoins en soutènement • Respect des avoisinants dépendent essentiellement du contexte géologique, géotechnique et hydrogéologique 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 15

Etude Géologique Techniques d’études • Etude Bibliographique • Etude par photo- interprétation • Levé de terrain = cartographie • Géophysique • Sondages • Galerie de reconnaissance • Essais in situ et de de laboratoire 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 16

Géologie - 1 • Roches plutoniques ( éruptives ou volcaniques) : granite, gabbro, syénite Ø Résistance élevée, Déformabilité très faible, fortement compétente • Roches métamorphiques : gneiss, schistes, micaschistes, quartzites Ø Résistance, Déformabilité et Compétence variables en fonction de l’anisotropie liée à la foliation 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 17

Géologie - 2 • Roches sédimentaires: q calcaires, dolomies, grès Ø Résistance et Compétence moyennement élevées, Déformabilité faible – teneur en Ca. CO 3 - karst, poches sableuses, porosité des grès q Calcaires argileux, marnes, argiles, schistes Ø Résistance moyenne à faible, Déformabilité forte, non compétentes – délitage- gonflement q Évaporites : anhydrite, gypse – solubilité importante 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 18

Coupe Géologique Prévisionnelle A partir des résultats de l’étude géologique Ø Identification des unités lithologiques traversées et arrangement géométrique de ces unités les unes par rapport aux autres Ø Longueurs des tronçons à creuser dans telle ou telle unité Ø Indétermination ou incertitudes Ø Reconnaissances spécifiques à réaliser. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 19

Etude Géotechnique • Caractérisation physique et mécanique des matériaux rocheux Principalement en laboratoire sur échantillons • Caractérisation du massif rocheux Discontinuités, état de contrainte, eau 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 20

Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche intacte ) - 1 Identification • Masse volumique • Teneur en eau • Minéralogie : teneur en Ca. Co 3, teneur en argiles, 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 21

Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche intacte ) - 2 Caractéristiques mécaniques • Vitesse du son • Résistance à la compression simple Rc • Résistance à la traction Rt • Essai triaxial ( c et f caractéristiques de rupture) • E et n module de déformabilité et coefficient de Poisson • Essais spécifiques: Dureté et Abrasivité 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 22

Caractérisation du massif rocheux - 1 Discontinuités • Orientation – Projection stéréographique • Espacement – R. Q. D. – I. D. • Persistance • Géométrie des surfaces • Ouverture • Remplissage 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 23

Caractérisation du massif rocheux - 2 Déformabilité • Mesure par essai dilatométrique • Mesure par essai à la plaque • Interprétation des déformations du massif ( galerie de reconnaissance ) 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 24

Caractérisation du massif rocheux - 3 Hydrogéologie • Présence d’une nappe • Charge hydraulique ( Pièzométrie ) • Perméabilité ( essais Lefranc, essais Lugeon, essai de pompage ) 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 25

Caractérisation du massif rocheux - 4 • • Etat de contrainte Mesure en surcarottage Mesure au vérin plat ( en paroi de galerie de reconnaissance ) Mesure en forage ( hydrofracturation ) à défaut : s = g * h 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 26

Conditions de creusement • Résistance de la roche Rc, Rt • Dureté et abrasivité CERCHAR • Discontinuités • • Creusement à l’explosif Creusement avec une machine à attaque ponctuelle Creusement au tunnelier Traitement du terrain ( injections, congélation ) 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 27

Etude de stabilité - 1 Approche théorique • Méthode convergence / confinement - Géométrie circulaire, contrainte isotrope. • Modélisation par calcul numérique : calcul par éléments finis ( code de calcul CESAR ) Permet de représenter la géométrie et le phasage exact du creusement. Suppose un milieu continu et homogène 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 28

Etude de stabilité - 2 • • Approche Empirique Par analogie avec un ouvrage de référence construit dans des conditions similaires En utilisant l’expérience acquise sur d’autres ouvrages : Classifications géo-mécaniques et recommandations AFTES. Nouvelle Méthode autrichienne (NATM) / Méthode observationnelle Partiellement empirique en ayant recours à des calculs de dimensionnement pour les charges actives et les éléments de soutènements 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 29

Convergence / Confinement -1 - • Approche simplifiée moyennant les hypothèses suivantes : Ø Massif rocheux continu, isotrope et présentant un comportement élastique caractérisé par E et n module élastique et coefficient de Poisson Ø Etat de contrainte isotrope so Ø Excavation circulaire de centre O et rayon r Ø Déformations planes dans le plan perpendiculaire à l’axe du tunnel 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 30

Convergence / Confinement -2 - • Dans ce plan perpendiculaire à l’axe du tunnel, les contraintes exprimées en coordonnées polaires en un point M quelconque situé à une distance r de O sont de la forme avec a = r / r : • AVANT creusement sr = s 0 , st = s 0 et trt = 0 • APRES creusement sr = s 0 ( 1 - a 2 ) , st = s 0 ( 1+ a 2 ) et trt = 0 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 31

Convergence / Confinement -3 - • A la paroi de l’excavation a = 1 d’où : sr = O , st = 2 s 0 et trt = 0 • L’expression du déplacement radial ur sur la paroi de l’excavation est de la forme : ur = ( Ds 0. r )/ 2 G où : Ds 0 est la variation de contrainte radiale sr responsable du déplacement : Ds 0 =s 0 G est le module de cisaillement G = E / 2. ( 1 + n ) 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 32

Convergence / Confinement -4 • Ce résultat correspond à un creusement du tunnel instantané : ur = ( Ds 0. r )/ 2 G = s 0. r / 2 G En réalité les choses se passent différemment parce que le déplacement radial se développe progressivement au fur et à mesure de l’avancement du front de taille. Au droit d’une section transversale ce déplacement radial commence même à se produire avant que le front de taille n’ait atteint cette section. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 33

Convergence / Confinement -5 • Tout se passe donc comme si le front de taille exerçait à la paroi de l’excavation une pression fictive de soutènement Pi dont la valeur serait fonction de son éloignement x par rapport à la section transversale considérée. • La valeur de cette pression fictive est de la forme : Pi = ( 1 – l ) s 0 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 34

Convergence / Confinement -6 • L’expression du déplacement radial devient alors : ur = ( Ds 0. r )/ 2 G = [s 0 - ( 1 – l ) s 0]. r / 2 G ur = l. s 0. r / 2 G avec l = taux de dé-confinement l = f ( x ), variant de 0 à 1 au droit du front est de l’ordre de 0, 3 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 35

Convergence / Confinement -7 • Classiquement les variations du déplacement radial ur en fonction de l’éloignement x du front de taille sont représentées dans un repère ur , Pi • Très en avant du front : Pi = s 0 , (l =0) et ur = 0 • Très en arrière du front de taille : Pi = O , (l = 1 ) et ur = s 0. r / 2 G 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 36

Convergence / Confinement -8 • Noter que cette pression fictive modifie également la valeur de la contrainte tangentielle qui n’atteint son maximum st = 2 s 0 que lorsque l = 1 § Noter que par hypothèse le matériau a conservé un comportement élastique 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 37

Convergence / Confinement -9 Comportement élasto-plastique parfait • Lorsque le matériau est sollicité au delà d’un certain seuil il entre en rupture et son comportement passe du domaine élastique au domaine élasto-plastique ( où les déformations deviennent plus importantes ) • Le seuil est défini par un critère de rupture • Il existe plusieurs expressions du critère de rupture proposées par différents auteurs. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 38

Convergence / Confinement -10 • le critère de Mohr-Coulomb s 1 = s 3 (1+sin j)/(1 -sin j) + 2 c (cos j)/(1 - sin j) c : cohésion et j : angle de frottement interne du matériau Ø Le critère de Hoek et Brown s 1 = s 3 + [(m. s 3/sc) + ( s. sc 2 )]1/2 • m et s coefficients caractéristiques du matériau intact 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 39

Convergence / Confinement -11 • La méthode convergence/confinement ainsi que le code de calcul numérique CESAR le plus utilisé en France pour les travaux souterrains utilisent le critère de Mohr. Coulomb. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 40

Convergence / Confinement -12 • Lors de l’excavation c’est immédiatement à la paroi de l’excavation que les contraintes sont maximales et décroissent lorsque l’on s’éloigne du centre Avant creusement sr = s 0 , st = s 0 Après creusement : sr = s 0. (1 - a 2 ), st = s 0 ( 1+ a 2 ), a = r / r 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 41

Convergence / Confinement -13 • La zone en rupture présentant un comportement plastique se développe donc à partir de la paroi de l’excavation en direction de l’extérieur. • La limite de la zone plastique est définie par le rayon plastique rd et l’expression du déplacement radial devient : ur = (rd / r )( le. s 0. r ) / 2 G 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 42

Convergence / Confinement -14 ur = (rd / r )( le. s 0. r ) / 2 G le = [ 1 / ( Kp + 1 )]. [ Kp – 1 + (sc / s 0 )] Kp = (1+sin j)/(1 -sin j) rd / r = {2 le / [(Kp+1) le - (Kp-1) l }1/Kp-1 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 43

Convergence / Confinement -15 Mise en place du soutènement • La mise en place du soutènement est prise en compte sous la forme d’une structure circulaire élastique parfaitement adhérente au terrain et caractérisée par une raideur ks • Ce soutènement est mis en place alors que le déplacement radial a atteint une valeur urs et son déplacement radial est us • L’évolution du soutènement est représentée sur le repère ur , Pi par une droite de pente ks 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 44

Convergence / Confinement -16 Comportement différé • Fluage E 0 > E • Gonflement Pg 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 45

Paramètres nécessaires Milieu continu homogène et isotrope : THEORIQUE Terrain : • Rc, E 0, E , n, s 0, (ou s 1, s 2, s 3), c et j (ou m et s) Ouvrage • r, ks Milieu naturel discontinu, anisotrope, non homogène : EMPIRIQUE • Discontinuités • Gravité 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 46

Etude de stabilité - 2 Approche empirique • Recommandations AFTES Ø Classes AFTES de valeurs Ø Pertinence de chaque type de soutènement • Classifications géomécaniques 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 47

Recommandations AFTES - 3 - • Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains » • Recommandations pour le choix des « Paramètres et essais géotechniques utiles à la conception, au dimensionnement et à l’exécution des ouvrages creusés en souterrain » • Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 48

Respect des avoisinants • Contrôle des ébranlements dus aux tirs • Contrôle des tassements de surface • Contrôle des perturbations aux nappes 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 49

Suivi et auscultation des travaux 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 50

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Tunnels à grande profondeur • Tunnel profond = loin de la surface = reconnaissances dificiles : méthodes d’investigations innovantes (sondages très longs, sismique réflexion) • Durée de creusement importante sauf si attaques intermédiaires en complément des attaques depuis chaque tête • Pour ce faire: recher tracé et profil en long permettant raisonnablement la création d’une descenderie; • Tunnel profond = tunnel soumis à de fortes contraintes = écaillage et/ou convergence forte, ex: Tunnel du Fréjus • Risque lié aux circulations d’eau souterraines pouvant être sous une charge importante (liée à l’épaisseur de couverture) et éventuellement d’eau chaude; • Risque lié à la température du massif rocheux ( 0, 03 °/m) • Tunnel profond = tunnel long mais l’inverse n’est pas toujours vrai, ex: tunnel sous la Manche : 50 km, 40 à 50 m d’eau, 50 m de terrain 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 52

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Ouvrages souterrains et Géologie • Terrain encaissant est l’acteur principal de l’acte de construire (contrairement à ce qui se passe pour les autres ouvrages de génie civil où le terrain n’intervient que dans les fondations) - matériau, hétérogène, le plus souvent anisotrope, le plus souvent discontinu - matériau naturel dont les caractéristiques sont mal connues parce que variables (à l’intérieur de certaines limites) - variable dans l’espace (un tunnel n’est qu’exceptionnellement construit dans un seul et même terrain) - Pouvant être baigné par une nappe phréatique ou être le siège de circulations d’eau importantes - Matériau imposé par les contraintes fonctionnelles : usage de l’infrastructure et géométrie 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 54

Recommandations AFTES - 2 • Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains » • Recommandations sur l’ » Emploi de la méthode Convergence/Confinement » • Réflexions sur les méthodes usuelles de calcul • Présentation de la méthode de construction des tunnels avec soutènement immédiat par béton projeté et boulonnage 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 55

Recommandations AFTES - 1 - • Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains » • Recommandations AFTES relatives aux « Choix des techniques d’excavation mécanisée » • Propriétés relatives aux « Mesures et essais réalisés dans le cadre d’un chantier de creusement mécanisé. Caractéristiques des roches sur échantillons « • Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie » 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie. Aménagement 56